DE102004030740A1

DE102004030740A1 - Berührungslose kapazitive Füllstandsmessung

Info

Publication number: DE102004030740A1
Application number: DE200410030740
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Stelzle; Martin Dr. Winter
Original assignee: ACCELAB LABORAUTOMATIONS GmbH; ACCELAB LABORAUTOMATIONS-GMBH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-01-19
Also published as: WO2006000378A2; WO2006000378A3

Abstract

Eine Vorrichtung zur berührungslosen kapazitiven Füllstandsmessung eines Mediums (7) in einem Gefäß (6) mit zumindest abschnittweise elektrisch nicht-leitenden Wandbereichen, wobei mindestens eine Sendeelektrode (1) und mindestens eine Empfangselektrode (2, 2', 2'', 2''') vorgesehen sind, die das Gefäß (6) mit dem Medium (7) teilweise umgeben, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Abschirmung (3) mindestens eine Empfangselektrode (2, 2', 2'', 2''') zu der dem Gefäß (6) abgewandten Seite hin vollständig abdeckt und von der Empfangselektrode (2, 2', 2'', 2''') elektrisch isoliert ist. DOLLAR A Damit können auch bei gleichzeitigem Betrieb weiterer Einrichtungen mit hochfrequenten Spannungsquellen selbst bei hohen Störfeld-Amplituden in unmittelbarer Nachbarschaft der Vorrichtung zur berührungslosen kapazitiven Füllstandsmessung stabile und ungestörte Füllstandssignale an der Empfangselektrode (2, 2', 2'', 2''') empfangen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen kapazitiven Füllstandsmessung eines Mediums in einem Gefäß mit zumindest abschnittsweise elektrisch nicht leitenden Wandbereichen, wobei mindestens eine Sendeelektrode und mindestens eine Empfangselektrode vorgesehen sind, die das Gefäß mit dem Medium teilweise umgeben, sowie Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung.
Eine derartige Vorrichtung sowie ein dafür geeignetes Betriebsverfahren sind bekannt aus der US 5,005,407 .
Vorrichtungen dieser Art dienen zur berührungslosen Messung des Füllstands von Flüssigkeiten oder allgemein Fluiden in Behältern aus nicht leitenden Materialien wie beispielsweise Glas oder Kunststoff. In einer Vielzahl von Anwendungen, u. a. bei der automatischen chemischen Synthese, ist es erforderlich, den Füllstand von Flüssigkeiten, Reaktionsgemischen und dergleichen in Gefäßen zu messen. Oft handelt es sich dabei um chemisch aggressive Medien, sodass die Materialauswahl für einen Sensor im Gefäß schwierig ist und daher eine berührungslose Messung von außen wünschenswert oder sogar unumgänglich ist.
Die klassische Füllstandsmessmethode aus dem Stand der Technik ist nicht berührungsfrei: Hierbei wird üblicherweise ein Schwimmer mit einem Schwimmkörper in das Gefäß mit dem Fluid eingebracht. Beispielsweise kann der Schwimmkörper einen Magneten enthalten, dessen Feld durch die Gefäßwand als Array angeordnete Magnetrelais betätigen und dadurch den Füllstand im Gefäß messen kann. Problematisch ist hierbei, dass je nach Dichte des Mediums im Gefäß der Schwimmkörper verschieden weit eintaucht, was das Messergebnis verfälscht. Außerdem besteht bei solchen Schwimmern die Tendenz zur Anhaftung von Gasblasen, die zusätzlichen Auftrieb und ebenfalls ein fehlerhaftes Messergebnis erzeugen. Auch wird bei diesen Vorrichtungen die Messsonde, nämlich der Schwimmer, mit dem Medium im Gefäß zwangsläufig in engen Kontakt gebracht, was in vielen Fällen problematisch sein kann.
Eine weitere, nicht berührungsfreie Methode besteht darin, eine kapazitive Sonde in Form eines in die Flüssigkeit eintauchenden, ummantelten Messstabes einzusetzen. Diese Art von Detektoren wird oft zur Bestimmung der Füllstandsgrenze eingesetzt. Hierzu ist allerdings eine Modifikation des Gefäßes im Hinblick auf die Geometrie der einzusetzenden Sonde erforderlich und im Falle von aggressiven Medien im Gefäß bestehen hohe Anforderungen an die chemische Stabilität des eintauchenden Messstabes.
Berührungsfrei ist eine weitere bekannte Technik, bei der Ultraschallsonden zur Messung der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden und dem Empfang eines an der oberen Grenzfläche des Mediums reflektierten Ultraschallimpulses eingesetzt werden. Auch hierzu muss das Gefäß in seiner Geometrie modifiziert werden, um Sender und Empfänger der Ultraschalleinrichtung integrieren zu können. Der apparative und elektronische Aufwand hierfür ist relativ hoch. Außerdem können nicht beliebig kleine Abstände zwischen Sender und Mediengrenzfläche gemessen werden.
Diese Nachteile weist das eingangs beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zur berührungslosen kapazitiven Füllstandsmessung nicht auf. Hierbei werden Elektroden von außen auf das Gefäß aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt oder durch Aufbringen von Leiterbahnen mittels eines leitfähigen Klebstoffs hergestellt. Die Wand des Gefäßes muss dabei aus einem nicht leitenden Material bestehen. Über eine oder mehrere Sendeelektroden wird hochfrequente Wechselspannung zugeführt, welche kapazitive Ströme in mindestens einer weiteren als Empfangselement modifizierten Elektrode hervorruft. Das elektrische Feld greift unter anderem durch die Gefäßwand und das im Gefäß befindliche Medium hindurch. Da die meisten Medien eine von 1 verschiedene Dielektrizitätskonstante besitzen, führt das Befüllen des Gefäßes zu einem Anstieg der Kapazität zwischen den Elektroden und damit zu einem proportionalen Anstieg der messbaren Stromamplitude.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren und der dazu gehörigen Vorrichtung ist jedoch das gelegentliche Auftreten von äußeren Störimpulsen, die ebenfalls von der Empfangselektrode aufgefangen werden und das Messergebnis verfälschen. Insbesondere in Laboren mit mehreren, räumlich eng benachbart angeordneten Apparaturen, bei denen hochfrequente Spannungsquellen eingesetzt werden, treten derartige äußere Störungen mit großer Wahrscheinlichkeit relativ häufig und massiv auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art mit möglichst einfachen technischen Mitteln dahin gehend zu verbessern, dass auch bei gleichzeitigem Betrieb weiterer Einrichtungen mit hochfrequenten Spannungsquellen auch bei hohen Störfeld-Amplituden in unmittelbarer Nachbarschaft der Vorrichtung zur berührungslosen kapazitiven Füllstandsmessung stabile und ungestörte Füllstandssignale an der Empfangselektrode empfangen werden können.

Erfindungsgemäß wir diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass eine elektrisch leitende Abschirmung mindestens eine Empfangselektrode zu der dem Gefäß abgewandten Seite hin vollständig abdeckt und von der Empfangselektrode elektrisch isoliert ist.

Auf den ersten Blick scheint eine solche Abschirmeinrichtung das Messverhalten der Vorrichtung eher negativ zu beeinflussen, da durch eine zwangsläufig auftretende parasitäre Kapazität zwischen der Empfangselektrode und der Abschirmung das empfangene Messsignal abgeschwächt wird. Die Signalamplitude bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher zwangsläufig kleiner als bei einer Vorrichtung ohne die erfindungsgemäß vorgesehene Abschirmung. Es hat sich jedoch bei zahlreichen Versuchen herausgestellt, dass die durch die Abschirmung hervorgerufene Signalabschwächung weit mehr als ausgeglichen wird durch die Erzielung besonders stabiler und störungsfreier Messsignale und die Unterdrückung äußerer Störeinflüsse. Außerdem wird auf diese Weise zwangsläufig auch eine Entkopplung der abgeschirmten Empfangselektrode von in räumlicher Nähe zu dieser befindlichen anderen Elektroden erreicht, was einen gleichzeitigen Betrieb weiterer Hochfrequenz-Vorrichtungen auf engem Raum, wie er im Laboralltag üblich ist, erheblich erleichtert.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die elektrisch leitende Abschirmung auch mindestens eine Sendeelektrode zu der dem Gefäß abgewandten Seite hin vollständig abdeckt und von der Sendeelektrode elektrisch isoliert ist. Dadurch können auch die von der Sendeelektrode nach außen abgestrahlten Impulse abgeschirmt werden, sodass elektrische Störungen im Hochfrequenzbereich bei benachbarten Apparaturen vermieden werden.

Vorzugsweise wird die elektrisch leitende Abschirmung der Elektroden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Metall, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, aufgebaut sein.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsformen umfasst die Abschirmung eine Metallfolie, ein Metallblech oder ein mit Metall beschichtetes oder bedampftes Trägerelement.

Ganz besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die elektrisch leitende Abschirmung das Gefäß in Umfangsrichtung vollständig umgibt, sodass zumindest in radialer Richtung sowohl eine Abstrahlung von elektrischen HF-Störimpulsen nach außen als auch ein Einfangen von äußeren Störimpulsen aus radialen Richtungen auf das Gefäß hin ausgeschlossen werden kann.

Eine besonders einfache Geometrie und damit eine preisgünstige Herstellung ergeben sich bei Verwendung einer zylinderförmigen Abschirmung.

Ganz besonders bevorzugt ist allerdings eine Weiterbildung, bei der die elektrisch leitende Abschirmung das Gefäß vollständig umgibt. Auf diese Weise können jegliche HF-Störsignale am Eindringen in die Vorrichtung sowie am Austritt aus der Vorrichtung gehindert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dann komplett „HF-dicht".

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fläche F_S der Sendeelektrode(n) das 5fache bis 100fache, vorzugsweise mindestens das 10fache der Fläche F_E der Empfangselektrode(n) beträgt. Auf diese Weise geht die Kapazität der Sendeelektroden kaum in die Füllstandsmessung ein.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der ein elektrisch isolierender Abstandshalter mit einer radialen Dicke d vorgesehen ist, der die elektrisch leitende Abschirmung auf einer vorgegebenen radialen Distanz zu den Sende- und Empfangselektroden hält. Damit lassen sich wichtige Systemparameter wie etwa die durch die Abschirmung hervorgerufene parasitäre Kapazität auf einfache Weise variieren und für jeden gewünschten Einzelfall speziell optimieren.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Dielektrizitätskonstante des Abstandshalter < 2, damit parasitäre Kapazitäten besonders niedrig bleiben und die empfangenen Messsignale nicht negativ beeinflussen.

Der Abstandshalter kann insbesondere aus geschäumtem Kunststoff, beispielsweise aus Schaumgummi oder Polystyrol, aufgebaut sein.

Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung, bei der der Abstandshalter eine radiale Dicke d zwischen 1mm und 50mm, vorzugsweise zwischen 10mm und 30mm aufweist, was den Proportionen von üblicherweise im Labor verwendeten Gefäßen und deren Geometrie angepasst ist.

Eine mögliche geometrische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann darin bestehen, dass die mindestens eine Empfangselektrode und eine Sendeelektrode benachbart nebeneinander auf dem Gefäß angeordnet sind.

Dies kann insbesondere bei großvolumigen Gefäßen sinnvoll sein. Wenn der Abstand zwischen Sende- und Empfangselektrode sehr groß wird, wird die Kapazität klein und das System entsprechend unempfindlich. Um dem entgegenzuwirken, ist es möglich, die Sende- und Empfangselektrode benachbart anzubringen, allerdings mit einem Abstand, der ein Vielfaches der Wandstärke des Gefäßes beträgt. Dann kann gewährleistet werden, dass die elektrischen Feldlinien zumindest teilweise durch das Gefäß greifen und die Kapazität zwischen Sende- und Empfangselektrode tatsächlich durch den Füllstand beeinflusst wird.

Alternativ oder ergänzend kann bei anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung die mindestens eine Empfangselektrode auf einer bezüglich einer Sendeelektrode gegenüber liegenden Seite des Gefäßes angeordnet sein. Diese Art der Anordnung ist besonders vorteilhaft bei Gefäßen mit relativ kleinem Durchmesser. Insbesondere erhält man damit einen besonders guten Durchgriff des von der Sendeelektrode abgestrahlten elektrischen Feldes durch das gesamte Gefäß.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung einer der beiden oben genannten Ausführungsformen der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste Empfangselektrode vorgesehen ist, die bandförmig ausgebildet ist und deren Länge l₁ in vertikaler Richtung ungefähr der vertikalen Erstreckung der benachbarten bzw. gegenüber liegenden Sendeelektrode entspricht, und dass mindestens eine zweite Empfangselektrode vorgesehen ist, die der Sendeelektrode ebenfalls benachbart ist bzw. gegenüber liegt, eine bandförmige Ausdehnung in horizontaler Richtung aufweist und als Referenzindikator für eine Absolutmessung der Füllstandshöhe des Mediums im Gefäß dient.

Diese Weiterbildung kann dadurch verbessert werden, dass weitere, in vertikaler Richtung jeweils mit Abstand übereinander angeordnete Empfangselektroden auf der der Sendeelektrode gegenüber liegenden Seite des Gefäßes vorgesehen sind, die ebenfalls als Referenzindikatoren bzw. zur Level-Detektion dienen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Abstand D zwischen der mindestens einen Empfangselektrode und der zugehörigen Sendeelektrode höchstens das Zehnfache der radialen Dicke d des Abstandshalters. In diesem Bereich lassen sich sowohl Geometrien mit benachbarter Sende- und Empfangselektrode als auch Geometrien mit bezüglich des Gefäßes gegenüberliegend angeordneten Sende- und Empfangselektroden realisieren.

Bevorzugt sind auch Ausführungsformen, bei denen die Sendeelektrode(n) und die Empfangselektrode(n) aus Metallfolie oder Metallblech aufgebaut sind oder ein mit Metall beschichtetes oder bedampftes Trägerelement umfassen.

Derartige Elektrodenanordnungen sind einfach, preisgünstig und für die jeweils benötigte Geometrie besonders genau herstellbar.

Bei einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Sendeelektrode(n) und die Empfangselektrode(n) Teil einer Manschette sind, die über das Gefäß mit dem zu messenden Medium gestülpt werden kann und dieses dann ringförmig und klemmend umgibt. Die Manschette erlaubt eine sehr einfache Handhabung und Justierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie eine optimale Positionierung. Vorzugsweise wird die Manschette aus flexiblem Material aufgebaut sein.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die elektrisch leitende Abschirmung und ggf. ein elektrisch isolierender Abstandshalter ebenfalls Teil der oben beschriebenen Manschette. Die Manschette mit den Elektroden, dem Abstandshalter und der Abschirmung kann dann ganz einfach zum Zwecke einer Messung über ein entsprechendes Gefäß gestülpt werden, ohne dass weitere Teile der Apparatur montiert werden müssen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Halterung mit nebeneinander angeordneten Aufnahmeöffnungen zur simultanen Aufnahme einer Vielzahl von Gefäßen mit gleichen oder unterschiedlichen Medien vorgesehen ist und dass jede Aufnahmeöffnung mindestens eine Sendeelektrode sowie mindestens eine Empfangselektrode enthält und jeweils von einer elektrisch leitenden, bezüglich der mindestens einen Sende- und Empfangselektrode elektrisch isolierten Abschirmung umgeben ist. Dies erlaubt auf simple Weise die simultane Messung der Füllhöhen einer Vielzahl von Gefäßen und dient daher der Einsparung kostbarer Messzeit.

Besonders einfach und bequem in der Handhabung ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die mindestens eine Empfangselektrode und die mindestens eine Sendeelektrode Teile einer selbst haftenden Folie oder eines selbst haftenden Folienstapels sind.

Diese Ausführungsform lässt sich vorteilhaft dadurch weiterbilden, dass die elektrisch leitende Abschirmung und ggf. ein elektrisch isolierender Abstandshalter der oben beschriebenen Art ebenfalls Teil der selbst haftenden Folie oder des selbst haftenden Folienstapels sind.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Strom-Spannungs-Wandler vorgesehen ist, mit dem die von der Empfangselektrode empfangenen Signale aufgenommen werden können. Durch die Verwendung eines solchen Strom-Spannungs-Wandlers, beispielsweise anstelle von einfachen Vorverstärkern oder Widerständen, an denen ein Spannungsabfall erzeugt wird, lassen sich vielfältige Vorteile erzielen: Die Signalamplitude am Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers ist direkt proportional zur Kapazität; der Eingang des Strom-Spannungs-Wandlers stellt eine virtuelle „Masse" dar, das heißt auf dem Kabel, welches zum Eingang geführt wird, befindet sich keine große Spannungsamplitude, sodass die Gefahr des Übersprechens auf benachbarte Kanäle reduziert wird; die Sensitivität der Anordnung ist besonders einfach einstellbar und anpassbar.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine elektronische Schaltung vorgesehen, die einen Oszillator zur Beschickung der Sendeelektrode(n) mit einem Wechselspannungssignal im Frequenzbereich zwischen 10kHz und 100MHz, vorzugsweise zwischen 0,1MHz und 10MHz, sowie eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der von den Empfangselektroden empfangenen Signale umfasst. Diese Art der Mehrfrequenzmessung ist an sich bekannt und hat sich bei gattungsgemäßen Vorrichtungen bewährt.

Vorteilhafterweise umfasst die Auswerteeinheit ein Tiefpassfilter und eine Einrichtung zur schnellen Fouriertransformation (=FFT) der von den Empfangselektroden empfangenen Signale. Aufgrund der Analyse durch das FFT-Verfahren kann eine sichere Bestimmung von Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante des Medium im Gefäß erreicht werden, wobei die Sicherheit in der Unterscheidung zwischen Flüssigkeitsfilm und tatsächlicher Füllung sowie bei der Bestimmung der elektrischen Eigenschaften des Mediums im Gefäß besonders hoch ist.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, die sich dadurch auszeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Multiplikator zur Bildung des Produkts des von der Sendeelektrode gesendeten und einer Empfangselektrode empfangenen Signals aufweist, und dass das Tiefpassfilter dem Multiplikator nachgeschaltet ist. Damit können auf einfache Weise Störsignale mit einer anderen als der Sendefrequenz beliebig schmalbandig ausgefiltert werden.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung der oben beschriebenen Art, welches sich dadurch auszeichnet, dass zur Erfassung von Veränderungen der Füllstandshöhe des Mediums im Gefäß eine permanent fortgesetzte Messung über einen bestimmten Zeitraum oder in zeitlichen Abständen nacheinander durchgeführte Messungen vorgenommen werden.

Alternativ oder zusätzlich kann das Betriebsverfahren so gestaltet werden, dass ein analoges Signal generiert wird, welches proportional zur Füllstandshöhe des Mediums im Gefäß ist, aus dem die Füllstandshöhe in einer kontinuierlichen, nicht-diskreten Weise bestimmt wird. Unter „kontinuierlicher" Messung soll hierbei ein Aufnahmeverfahren verstanden werden, bei dem nicht nur eine „Level-Detektion" vorgenommen wird, sondern die Generierung eines analogen Signals, welches proportional zur tatsächlichen aktuellen Füllstandshöhe ist.

Alternativ zu diesem kontinuierlichen Verfahren ist eine weitere Verfahrensvariante, bei der die Füllstandshöhe an einer Position, die durch die Anordnung der mindestens einen Empfangselektrode definiert ist, zum Zweck einer Level-Detektion diskret bestimmt wird.

Eine Kombination aus den beiden genannten alternativen Verfahrensvarianten kann dadurch erreicht werden, dass mehrere Empfangselektroden verwendet werden, und dass sowohl eine diskrete Messung der durch die Anordnung der Empfangselektroden definierten Füllstandshöhen als auch eine kontinuierliche Messung der Füllstandshöhe durch mindestens eine weitere Empfangselektrode durchgeführt werden.

Vorteilhaft ist auch eine Verfahrensvariante, bei der durch Messung der Signale von mindestens zwei Empfangselektroden eine Referenzmessung und Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften des Mediums erfolgt.

Diese Verfahrensvariante kann insbesondere dadurch weiter verbessert werden, dass die Füllhöhe des Mediums im Gefäß unabhängig von den Eigenschaften des Mediums bestimmt wird.

Besonders bevorzugt schließlich ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art, bei welcher eine Mehrfrequenz-Messung mit anschließender Analyse des Messsignals mittels schneller Fouriertransformation durchgeführt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.

In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden.

Es zeigen:

1a in der rechten Hälfte einen schematischen Horizontalschnitt durch eine zylindrische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Gefäß und in der linken Hälfte eine Vergrößerung eines Abschnitts der Vorrichtung;

1b eine schematische Seitenansicht auf die Ausführungsform nach 1a ohne Abschirmung mit einer bandförmigen ersten Empfangselektrode in vertikaler Erstreckung und drei weiteren vertikal übereinander angeordneten Empfangselektroden mit jeweils horizontaler Erstreckung; und

2 ein schematisches Blockschaltbild zur elektrischen Verschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (ohne Abschirmung).

In der rechten Hälfte von 1a ist schematisch im Horizontalschnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Sendeelektrode 1, einer der Sendeelektrode 1 im Abstand D gegenüberliegend angeordneten ersten Empfangselektrode 2, einer weiteren Empfangselektrode 2' sowie einer elektrisch leitfähigen Abschirmung 3 dargestellt. Die Sendeelektrode 1 und die Empfangselektroden 2, 2' sind auf einem elektrisch nicht leitenden Trägerelement 4 aufgebracht, beispielsweise als Metallschichten aufgedampft oder als Metallfolien aufgeklebt und von der Abschirmung 3 durch einen elektrisch isolierenden Abstandshalter 5 der Dicke d getrennt. Die gesamte Anordnung ist als eine Art Manschette ausgeführt und kann zum Zwecke der Füllstandmessung über ein Gefäß 6 mit einem Medium 7 gestülpt werden, wie in 2 schematisch angedeutet ist.

In der horizontalen Seitenansicht von 1b sind die Abschirmung 3 und der Abstandshalter 5 der Übersichtlichkeit halber weggelassen und nur die erste Empfangselektrode 2 mit einer vertikalen Ausdehnung l₁, die weitere Empfangselektrode 2' sowie in vertikaler Richtung unter dieser angeordnete weitere Empfangselektroden 2'', 2''' dargestellt, welche jeweils als Referenzindikatoren dienen.

2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Messanordnung, wobei der Übersichtlichkeit wegen die Abschirmung 3 nicht eingezeichnet ist:
Zwischen Sendeelektrode 1 und Empfangselektrode 2 besteht eine elektrische Kapazität C_F, die proportional zum Füllstand des Mediums 7 im Gefäß 6 zunimmt.

Ein Oszillator 8 erzeugt ein HF-Signal (beispielsweise mit einer Frequenz f=300kHz und einer Spannungsamplitude U₀=2V), das auf die Sendeelektrode 2 geführt wird. Wegen der kapazitiven Kopplung zwischen Sende- und Empfangselektrode wird ein zur Kapazität proportionaler Wechselstrom in der Empfangselektrode 2 induziert gemäß der Beziehung I_F = U₀/Z_F mit Z_F = 1/2πfC_F (füllstandsabhängige Impedanz der Elektrodenanordnung).

Ein Strom-Spannungs-Wandler 9 erzeugt eine zur Stromamplitude proportionale HF-Wechselspannung U_F, die zusammen mit dem ursprünglichen Oszillatorsignal auf die Eingänge eines Analog-Multiplikators 10 geführt wird. Mit Hilfe eines Tiefpassfilters 11 wird aus dem Produktsignal ein Gleichspannungs-Ausgangssignal erzeugt, das nur für solche Signal-Anteile von U_F nicht verschwindet, die exakt die gleiche Frequenz haben wie das Oszillatorsignal. Damit werden etwaige durch Störfelder eingekoppelte Signale wirksam unterdrückt und können die Messung nicht verfälschen. Ein als Impedanzwandler ausgeführter Ausgangsverstärker 12 schließlich puffert den Tiefpass 11, erlaubt eine Offset- sowie Pegelanpassung an eine nachfolgend geschaltete Peripherie bzw. Datenaufnahme.

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen kapazitiven Füllstandsmessung eines Mediums (7) in einem Gefäß (6) mit zumindest abschnittsweise elektrisch nicht-leitenden Wandbereichen, wobei mindestens eine Sendeelektrode (1) und mindestens eine Empfangselektrode (2,2',2'',2''') vorgesehen sind, die das Gefäß (6) mit dem Medium (7) teilweise umgeben, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Abschirmung (3) mindestens eine Empfangselektrode (2,2',2'',2''') zu der dem Gefäß (6) abgewandten Seite hin vollständig abdeckt und von der Empfangselektrode (2,2',2'',2''') elektrisch isoliert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Abschirmung (3) auch mindestens eine Sendeelektrode (1) zu der dem Gefäß (6) abgewandten Seite hin vollständig abdeckt und von der Sendeelektrode (1) elektrisch isoliert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Abschirmung (3) aus Metall, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium aufgebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) eine Metallfolie, ein Metallblech oder ein mit Metall beschichtetes oder bedampftes Trägerelement umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Abschirmung (3) das Gefäß (6) in Umfangsrichtung vollständig umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (3) zylinderförmig aufgebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Abschirmung (3) das Gefäß (6) allseitig vollständig umgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche F_S der Sendeelektrode(n) (1) das 5fache bis 100fache, vorzugsweise mindestens das 10fache der Fläche F_E der Empfangselektrode(n) (2,2',2'',2''') beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch isolierender Abstandshalter (5) mit einer radialen Dicke d vorgesehen ist, der die elektrisch leitende Abschirmung (3) auf einer vorgegebenen radialen Distanz zu den Sende- und Empfangselektroden (1, 2,2',2'',2''') hält.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante des Abstandshalters (5) kleiner als 2 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (5) aus geschäumtem Kunststoff, insbesondere aus Schaumgummi oder Polystyrol aufgebaut ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (5) eine radiale Dicke d zwischen 1mm und 50mm, vorzugsweise zwischen l0mm und 30mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Empfangselektrode und eine Sendeelektrode (1) benachbart nebeneinander auf dem Gefäß (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Empfangselektrode (2,2',2'',2''') auf einer bezüglich einer Sendeelektrode (1) gegenüber liegenden Seite des Gefäßes (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Empfangselektrode (2) vorgesehen ist, die bandförmig ausgebildet ist, und deren Länge l₁ in vertikaler Richtung ungefähr der vertikalen Erstreckung der benachbarten bzw. gegenüber liegenden Sendeelektrode (1) entspricht, und dass mindestens eine zweite Empfangselektrode (2') vorgesehen ist, die der Sendeelektrode (1) ebenfalls benachbart ist bzw. gegenüber liegt, eine bandförmige Ausdehnung in horizontaler Richtung aufweist und als Referenzindikator für eine Absolutmessung der Füllstandshöhe des Mediums (7) im Gefäß (6) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass weitere, in vertikaler Richtung jeweils mit Abstand übereinander angeordnete Empfangselektroden (2'',2''') auf der der Sendeelektrode (1) gegenüber liegenden Seite des Gefäßes (6) vorgesehen sind, die ebenfalls als Referenzindikatoren dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand D zwischen der mindestens einen Empfangselektrode (2) und der zugehörigen Sendeelektrode (1) höchstens das Zehnfache der radialen Dicke d des Abstandshalters (5) beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelektrode(n) (1) und die Empfangselektrode(n) (2,2',2'',2''') aus Metallfolie oder Metallblech aufgebaut sind oder ein mit Metall beschichtetes oder bedampftes Trägerelement (4) umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelektrode(n) (1) und die Empfangselektrode(n) (2,2',2'',2''') Teil einer Manschette sind, die über das Gefäß (6) mit dem zu messenden Medium (7) gestülpt werden kann und dieses dann ringförmig und klemmend umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Abschirmung (3) und ggf. ein elektrisch isolierender Abstandshalter (5) nach Anspruch 9 ebenfalls Teil der Manschette sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterung mit nebeneinander angeordneten Aufnahmeöffnungen zur simultanen Aufnahme einer Vielzahl von Gefäßen (6) mit gleichen oder unterschiedlichen Medien (7) vorgesehen ist, und dass jede Aufnahmeöffnung mindestens eine Sendeelektrode (1) sowie mindestens eine Empfangselektrode (2,2',2'',2''') enthält und jeweils von einer elektrisch leitenden, bezüglich der mindestens einen Sende- und Empfangselektrode (1, 2,2',2'',2''') elektrisch isolierten Abschirmung (3) umgeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Empfangselektrode (2,2',2'',2''') und die mindestens eine Sendeelektrode (1) Teile einer selbst haftenden Folie oder eines selbst haftenden Folienstapels sind.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Abschirmung (3) und gegebenenfalls ein elektrisch isolierender Abstandshalter (5) nach Anspruch 9 ebenfalls Teile der selbst haftenden Folie oder des selbst haftenden Folienstapels sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom-Spannungs-Wandler (9) vorgesehen ist, mit dem die von der Empfangselektrode (2,2',2'',2''') empfangenen Signale aufgenommen werden können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, die einen Oszillator (8) zur Beschickung der Sendeelektrode(n) (1) mit einem Wechselspannungssignal im Frequenzbereich zwischen l0kHz und 100MHz, vorzugsweise zwischen 0,1MHz und 10MHz, sowie eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der von den Empfangselektroden (2,2',2'',2''') empfangenen Signale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit ein Tiefpassfilter (11) und eine Einrichtung zur schnellen Fouriertransformation (=FFT) der von den Empfangselektroden (2,2',2'',2''') empfangenen Signale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Multiplikator (10) zur Bildung des Produkts des von der Sendeelektrode (1) gesendeten und einer Empfangselektrode (2,2',2'',2''') empfangenen Signals aufweist, und dass das Tiefpassfilter (11) dem Multiplikator (10) nachgeschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Veränderungen der Füllstandshöhe des Mediums (7) im Gefäß (6) eine permanent fortgesetzte Messung über einen bestimmten Zeitraum oder in zeitlichen Abständen nacheinander durchgeführte Messungen vorgenommen werden.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein analoges Signal generiert wird, welches proportional zur Füllstandshöhe des Mediums (7) im Gefäß (6) ist, aus dem die Füllstandshöhe in einer kontinuierlichen, nicht-diskreten Weise bestimmt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstandshöhe an einer Position, die durch die Anordnung der mindestens einen Empfangselektrode (2,2',2'',2''') definiert ist, zum Zweck einer Level-Detektion diskret bestimmt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 29 und 30, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Empfangselektroden (2,2',2'',2''') verwendet werden, und dass sowohl eine diskrete Messung der durch die Anordnung der Empfangselektroden (2) definierten Füllstandshöhen als auch eine kontinuierliche Messung der Füllstandshöhe durch mindestens eine weitere Empfangselektrode (2',2'',2''') durchgeführt werden.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung der Signale von mindestens zwei Empfangselektroden (2,2',2'',2''') eine Referenzmessung und Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften des Mediums (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 32 dadurch gekennzeichnet, dass die Füllhöhe des Mediums (7) im Gefäß (6) unabhängig von den Eigenschaften des Mediums (7) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33 zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrfrequenz-Messung mit anschließender Analyse des Messsignals mittels schneller Fouriertransformation durchgeführt wird.